JP2008512661A - 粒子センサに対するセンサ素子および該センサ素子を作動する方法 - Google Patents

Abstract

ここに記載されているのは、ガス混合器における粒子の濃度を決定するガスセンサ、例えばすすセンサに対するセンサ素子であり、ここでこのセンサ素子は、電気的に絶縁された基板に被着された少なくとも１つの第１測定電極（１４，１６）と、少なくとも１つの第２測定電極（１４ａ，１６ａ）とを有している。ここでは第１および第２測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）に電圧を加えることができる。第１測定電極（１４，１６）は、決定すべき粒子が拡散可能な多孔質材料（１８，２０）によって少なくとも部分的に覆われている。

Description

本発明は、請求項１，請求項１０ならびに請求項１２の上位概念にそれぞれ記載されたガス混合気の粒子濃度を決定するセンサ素子、方法ならびにその使用法を出発点とする。

従来技術
環境についての規制が厳しくなり続けているという趨勢において、燃焼排気ガスに存在するすす粒子の濾過ないしは除去を可能にする排気ガス後処理システムの重要性は、ますます高くなるばかりである。このような排気ガス後処理システムの機能が適正であることをチェックないしは監視するためには、長時間動作においても燃焼排気ガス中の目下の粒子濃度を精確に求めることのできるセンサが必要である。さらにこのようなセンサを用いて、例えば排気ガスシステムに設けられているディーゼル粒子フィルタの積もり具合を予測できるようにして、システムの確実性を高め、またこれによって一層コスト的に有利なフィルタ材料を使用できるようにすべきである。

DE 102 19 798 A1からは、液体流における物質を検出するセンサが公知であり、ここでこのセンサは、セラミック製の多層基板をベースにして実施されている。このセンサには、検査すべき燃料排気ガスにさらされまた互いに離れている２つの測定電極が含まれている。２つの測定電極間にすすが堆積している場合、これらの測定電極に電圧を加えると、測定電極間に電流が流れる。層状に実施された２つの加熱素子によって、熱伝導路において上記の電極ないしはその周囲の堆積したすす粒子を取り除くことができる。このセンサにはさらにフィルタが含まれており、ここでこのフィルタは、測定ガスの流れる方向に見て、上記の測定電極を収容している測定ガス空間の前に接続されている。前置接続されたこのフィルタにより、測定ガスがセンサの内部に拡散する際に粗いすす粒子が堆積する。このような種類のセンサにおいて不利であるのは、一方ではその作製にコストがかかることであり、また他方では、得られた測定結果が、測定ガスに含まれているすすの粒度分布に依存することである。それは、粗い粒子によるフィルタの積もり具合も、相応に細かい粒子による測定電極の積もり具合も共に測定結果に入り込み、その際にこれらの２つの影響を分けて検出することができないからである。

本発明の課題は、ガス混合気における粒子の濃度を決定するセンサに対するセンサ素子および方法を提供し、これらのセンサ素子および方法によって、極めて精度の高い測定信号が得られるのにもかかわらず、これをコスト的に有利にすることである。

発明の利点
請求項１，１０の特徴部分に記載されている特徴的構成を有するセンサ素子ないしは方法の利点は、本発明のベースにある課題が有利に解決されることである。これは殊に、センサ素子の構造が簡単であることと、つぎのような層と使用すること、すなわち、センサ素子の測定電極に物理的にコンタクトしており、多孔質であり、かつ所定の粒子に対して拡散を可能にする層とを使用することに起因する。ここでこの層は、粒子キャッチャーとしても、また測定電極の表面に到達するガス混合気を安定させる素子としても機能する。例えば、本発明のベースにあるセンサ素子は、比較的大きなすす粒子の堆積またはこのセンサ素子の導電性に影響を与えるその他の粒子の影響を格段に受けにくいように保護される。ここでこの粒子は、これが測定電極に到達できる場合に、場合によっては短絡およびセンサ素子の信号跳躍になり得るものである。別の利点は、すでに多孔質層の孔に拡散して入り込んでいる粒子が、決定すべきガス混合気内の乱流によって引き戻られることがないことである。これによって上記のセンサ素子の測定信号の安定性が改善される。

このセンサ素子ないしはこのセンサ素子を作動する方法の別の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

有利であるのは、上記の測定電極が有利には互いに噛み合うインターデジタル電極として実施される場合である。それはこのようにすることによって、大きな表面領域の電気抵抗ないしは導電性を、決まった条件の下で決定することができ、ひいては測定信号の感度および質を格段に改善できるからである。

上記の測定電極がセンサ素子の種々異なる層レベルに配置される場合にも類似の利点が得られる。これによって可能になるのは付加的に、上記の測定電極のうちの少なくとも１つを平面状の電極として実施して、センサ素子の面積の大きな面が少なくとも広範囲に覆われているようにすることである。種々異なる層レベルにおいて上下に測定電極を配置することにより、すす粒子によってブリッジされるはずである測定電極間の導電区間が短くなる。したがって例えば、セラミック製のセンサ素子では、横方向にふつう００μｍ程度の構造の分解能しか得られないが、これに対して垂直方向にこの構造の層厚を１０〜１５μｍとすることができる。粒子によってブリッジされる測定電極間の間隔が短くなることによって、センサ素子のトリガ閾値を上回るまでの時間が同程度に短くなるため、測定電極を上下に配置した場合、このセンサ素子の測定感度は格段に向上する。

本発明の別の有利な実施形態では、上記の多孔質層は、基板と同じ材料または少なくとも類似の材料から構成され、この基板にこのセンサ素子の測定電極のうちの少なくとも１つがデポジットされる。ここでこれは有利には、例えばアルカリ土類金属酸化物が混ぜられている酸化アルミニウムなどの電気的な絶縁性を有する材料である。

本発明の殊に有利な実施形態では評価装置が設けられており、この評価装置により、時間単位あたりの測定電極間の電流変化が求められ、これが粒子濃度に対する尺度として出力される。

本発明のセンサ素子を作動する方法の有利な実施形態では、測定電極間に生じる電流が、あらかじめ定めた値を上回るおよび／またはあらかじめ定めた時間だけ一定の値をとる場合にセンサ素子の再生を開始する。

上記のセンサ素子ないしはこのセンサ素子を作動する方法は、有利にもディーゼル機関の動作を監視するため、ないしは機能が適正であることまたは粒子フィルタの積もり具合をチェックするのに適している。

図面
本発明のセンサ素子の実施例を図面に簡単に略示し、以下の説明において詳述する。ここで図１ａ〜１ｄは、第１実施例の４つの変形形態によるセンサ素子の縦断面図を示しており、図２は、第２実施例によるセンサ素子の縦断面図を示しており、また図３ａおよび３ｂは、第３実施例の２つの変形形態によるセンサ素子の縦断面図を示している。

実施例の説明
図１ａ〜１ｄには本発明の１実施形態の基本構造が示されている。参照符号１０によってセラミック製のセンサ素子を示す。このセンサ素子は、このセンサ素子を包囲するガス混合気の粒子濃度を決定するのに使用される。センサ素子１０にはセラミック基板１１が含まれており、ここでセラミック材料として、電気的な絶縁性を有する材料、例えばバリウムを含有する酸化アルミニウムを使用する。それはこの材料が、長期の時間にわたって温度変化の負荷がかけられても十分に一定で高い電気抵抗を有するからである。択一的には二酸化セリウムを使用することないしは別のアルカリ土類金属酸化物を添加することも可能である。

センサ素子１０はさらにセラミック製の加熱素子１２を有しており、これは電気抵抗導体路の形態で実施されており、また例えば決定すべきガス混合気の温度までセンサ素子１０を加熱するのに使用されるか、ないしはセンサ素子１０の表面に堆積したすす粒子を燃焼するのに使用される。上記の抵抗導体路は、有利にはサーメット材料から実施されており、有利には例えば酸化アルミニウムなどのセラミック成分と、白金または白金属との混合物として実施される。この抵抗導体路は、有利にはメアンダー状に実施され、また図示しない電気端子を両端部に有する。相応する加熱電圧を抵抗導体路の端子に加えることによって、加熱素子１２の熱出力を相応に制御することができる。 センサ素子１０の面積の大きな面には例えば２つの測定電極１４，１６がデポジットされており、これらは図１ａによれば、互い噛み合うインターデジタル電極として構成されている。測定電極１４，１６としてインターデジタル電極を使用することによって有利にも、測定電極１４，１６間にある表面材料の導電性ないしは電気抵抗を殊に精確に決定することができる。測定電極１４，１６を接触接続するため、ガス混合気とは反対側のセンサ素子の端部の領域に図示しないコンタクト面が設けられている。

測定電極１４，１６が設けられたセンサ素子１０の面積の大きな面にはさらに、多孔質層１８が設けられており、これは基板１１を少なくとも広範囲に覆い、または付加的に測定電極１４，１６をシールドして、決定すべきガス混合気が直接触れないようにする。ここでは上記の多孔質層１８の層厚は、有利には測定電極１４，１６の層厚よりも大きい。多孔質層１８は、空の孔状に実施されている。ここでは孔のサイズを選択して、ガス混合気中の決定すべき粒子が拡散して多孔質層１８の孔に進入できるようにする。多孔質層１８の孔のサイズは、有利には２〜１０μｍの範囲である。多孔質層１８は、セラミック材料から実施されており、ここでこれは有利には基板１１の材料と類似であるか、またはこれと等しく、またスクリーン印刷によって簡単に作製することができる。多孔質層１８の多孔率は、スクリーン印刷ペーストに細孔形成剤を添加することによって相応に作製することができる。

センサ素子１０の動作中、測定電極１４，１６に電圧を加える。測定電極１４，１６は、電気的な絶縁性を有する基板１１の表面に配置されているため、はじめのうち測定電極１４，１６間には実質的に電流が流れない。

センサ素子１０の周囲を流れるガス混合気に粒子、殊にすすが含まれている場合、これはセンサ素子１０の表面に堆積する。多孔質層１８の構造が空の孔状であることによって、これらの粒子は、多孔質層１８を通って測定電極１４，１６のすぐ近くまで拡散する。すすは、所定の導電性を有するため、センサ素子１０ないしは多孔質層１８の表面にすすが十分に積もると、この積もり具合の程度に相関して大きくなった電流が測定電極１４，１６の間に発生する。
測定電極１４，１６に有利には一定の直流または交流電圧を加えて、電流の増大を時間にわたって求めれば、電流増大量および時間の商から、ガス混合気における現在の粒子質量流量、殊にすすの質量流量を推定することができる。このような測定法により、測定電極１４，１６間に設けられているセラミック材料の導電性にプラスまたはマイナスに影響するすべての粒子の、ガス混合気における濃度が検出される。

図１ｂには、図１ａに示したセンサ素子の変形形態が図示されている。ここで同じ参照符号は、図１ａと同じ構成コンポーネントを示している。
図１ｂに示したセンサ素子１０の測定電極は、センサ素子１０の相異なる２つの層レベルに配置されている。ここでは第１測定電極１４，１６は、基板１１の面積の大きな面に直接デポジットされており、多孔質層１８によって包囲されている。この多孔質層１８によって形成される別の面積の大きな面に別の測定電極１４ａ，１６が設けられている。ここでこれらの別の測定電極１４ａ，１６ａは、多孔質層１８によって覆われていない。測定電極１４，１４ａ，１６，１６ａは、例えばインターデジタル電極として構成されており、ここで測定電極１４，１６ないしは１４ａ，１６ａはそれぞれ、有利には合同で上下に配置されている。第1実施例の第２変形形態の利点は、測定電極１４，１６ａないしは１４ａ，１６の短い間隔が簡単に実現できることであり、これによって粒子濃度が低い場合であってもすでにセンサ素子１０の応答特性が改善されることである。

さらに上記の別の測定電極１４ａ，１６ａによって、多孔質層１８の表面導電性を簡単に決定することができ、ここから例えば、ガス混合気に存在しかつ所定の最小直径を有する粒子の濃度を求めることができる。このような付加的な利点が重要でない場合、これらの別の測定電極１４ａ，１６ａを、ここでは図示しない多孔質かつ測定すべき粒子が拡散できる別の保護層でコーティングすることができる。

図１ｃには、第１実施例によるセンサ素子の別の変形形態が示されている。ここでも引き続き、同じ参照符号は、図１ａおよび1ｂと同じ構成コンポーネントを示す。
図１ｃに示した第３変形形態では、別の測定電極１４ａ，１６ａは、インターデジタル電極として実施されておらず、多孔質層１８に配置される単純な形態の導体路として実施されている。これによってセンサ素子１０の構造が格段に単純になる。図１ｄに示した第３変形形態によれば、別の電極１４ａ，１６ａを別の多孔質層２０によってコーティングすることができる。ここでこの層も同様に、決定すべき粒子が拡散可能に実施されており、また必須ではないが有利には多孔質層１８と同じ材料からなる。

図１ｃおよび１ｄに示した変形形態の格別の利点は、多孔質層１８内に堆積するすすがすでに飽和状態になってしまった場合であっても、多孔質層１８の表面に引き続いて堆積するすすを電極１４ａ，１６ａ間で横方向に決定できることである。

図２には本発明の第２の実施例によるセンサ素子が示されている。ここでも引き続き、同じ参照符号は、図１ａ〜1ｄと同じ構成コンポーネントを示す。

図２に示した第２実施例では、測定電極１４は、平面上の形態で実施されており、センサ素子１０の面積の大きな面が有利には少なくとも広い範囲にわたって覆われている。測定電極１６は、このセンサ素子の別の層レベルにおいて、多孔質層１８によって形成されるセンサ素子１０の別の面積の大きな面にインターデジタル電極の形態で実施されている。

図３ａには本発明の第３実施例によるセンサ素子が示されている。ここでも引き続き、同じ参照符号は、すでに説明した図と同じ構成コンポーネントを示す。図３ａに示したセンサ素子１０は、平面状２つの多孔性の電極１４，１６を有しており、これらはセンサ素子の相異なる層レベルに構成されており、また有利には合同で上下に配置されている。しかしながら測定電極１４，１６の幾何学構成を変えて形成する、および／または合同でないように配置することも可能である。この実施形態の利点は、多孔質層１８の表面導電性がセンサ素子１０の測定信号に与える影響を排除できることである。第３実施例によるセンサ素子１０の変形形態は、図３ｂに示されている。ここでは測定電極１４は多孔質層１８によって覆われており、また測定電極１６は別の多孔質層２０によって覆われている。別の多孔質層２０により、決定すべきガス混合気による摩耗作用から測定電極１６が保護される。

本発明は図１〜３に示したセンサ素子の実施形態に制限されず、このセンサ素子に数多くの変形を行うことができる。したがって例えば可能であるのは、基板１１をセラミック製の多層構造として実施すること、ならびに別の測定電極を設けることなどである。

上記のセンサ素子の適用は、内燃機関の排気ガスにおけるすす粒子の決定には制限されず、一般的に粒子の濃度を決定するのに使用可能であり、ここではこの粒子は、例えば化学的な製造プロセスまたは排気後処理装置などにおいて、付着時にセラミック基板の導電性を変化させる粒子である。

第１実施例の４つの変形形態によるセンサ素子の縦断面図である。 第２実施例によるセンサ素子の縦断面図である。 第３実施例の２つの変形形態によるセンサ素子の縦断面図である。

Claims (12)

1. ガス混合器における粒子の濃度を決定するためのガスセンサ、例えばすすセンサに対するセンサ素子であって、
   該センサ素子は、電気的な絶縁性を有する基板にデポジットされる少なくとも１つの第１測定電極と、少なくとも１つの第２測定電極とを有しており、
   当該の第１および第２測定電極に電圧を加えることができる形式のセンサ素子において、
   少なくとも第１測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）は、決定すべき粒子が拡散可能な多孔性の材料（１８，２０）によって少なくとも部分的に覆われていることを特徴とする
   センサ素子。
2. 前記の第１および／または第２測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）はインターデジタル電極として実施されている、
   請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記の第１および／または第２測定電極（１４，１６）は、平面上の電極として実施されており、センサ素子の面積の大きな面を少なくとも広範囲に覆っている、
   請求項１に記載のセンサ素子。
4. 前記の電気的な絶縁性を有する基板（１１）は、酸化アルミニウムおよび／またはアルカリ土類金属酸化物を含む、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載のセンサ素子。
5. 前記の第１および／または第２測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）は、センサ素子の相異なる層レベルに配置されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載のセンサ素子。
6. 少なくとも１つの測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）は、多孔質に実施されている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載のセンサ素子。
7. 前記の測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）間に流れる電流の単位時間当たりの変化を求めて、該変化を粒子濃度に対する尺度として出力する評価装置が設けられている、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載のセンサ素子。
8. 前記の多孔質材料（１８，２０）は、電気的な絶縁性を有する基板（１１）の材料によって形成されるか、または当該材料を含む、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載のセンサ素子。
9. 決定すべき粒子の燃焼温度を上回る温度までセンサ素子を加熱する加熱素子（１２）が設けられている、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載のセンサ素子。
10. ガス混合気における粒子、例えば内燃機関の排気ガスにおけるすすの濃度を決定する方法において、
    請求項１から９までのいずれ１項の記載のセンサ素子を使用し、
    少なくとも２つの測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）に電圧を加えて、
    該測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）に生じる電流を求めて、
    測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）間に発生する単位時間当たりの電流の変化を求めて、粒子濃度に対する尺度として出力することを特徴とする、
    ガス混合気における粒子濃度を決定する方法。
11. 前記の測定電極（１４，１４ａ，１６，１６ａ）間に生じる電流が、あらかじめ定めた値を上回るおよび／またはあらかじめ定めた時間だけ一定の値をとる場合に、前記のセンサ素子の再生を開始する、
    請求項１０に記載の方法。
12. センサ素子の使用方法において、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載のセンサ素子または請求項１０または１１に記載の方法を使用して、ディーゼル機関の動作または粒子フィルタの積もり具合および／または機能が適正であることを監視することを特徴とする、
    センサ素子の使用方法。

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